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丰田Mirai燃料电池电堆及系统效率测试
2020-03-17 05:50:13· 来源：燃料电池干货
原创燃料电池博士 昨天尽管自1990年以来已有多家公司着手研究和开发氢燃料电池汽车，且当前北美市场上投放的FCV车型多达6种，但尚缺乏有关当前量产FCV的独立实验
尽管自1990年以来已有多家公司着手研究和开发氢燃料电池汽车，且当前北美市场上投放的FCV车型多达6种 ，但尚缺乏有关当前量产FCV的独立实验室数据。 美国能源部(DOE)燃料电池技术办公室也将“缺乏燃料电池电动汽车的性能和耐久性数据”作为其“ 多年研究、 开发和示范计划 ” (Multi-year research, development and demonstration plan)项目的一个技术障碍 。
美国国家可再生能源实验室(NREL)对几种不同燃料电池汽车进行了道路评估，发现燃料电池堆的平均峰值效率为 67 ％、燃料电池系统平均峰值效率为 58 ％。虽然相关研究对燃料电池汽车效率进行研究和报道，但依然没有提供在实验室中测试的量产版燃料电池汽车电堆和系统的效率曲线。此外，大部分研究依赖于仿真模型，而这些模型使用总体的氢燃料经济性数据或专用的燃料电池系统数据进行验证。
美国环境保护署(EPA)根据标准行驶工况和测试条件给几种燃料电池汽车进行测试并给出其氢燃料经济性测试结果，测试结果如上表所示。该表第一部分给出了底盘测功机测试时的车辆特性，如等效重量、道路载荷力系数。此外，也给出了25°C环境温度下测试的城市循环工况(FTP：联邦测试程序)和高速公路驾驶循环工况(HWFET：高速公路燃油经济性测试)的氢燃料消耗结果。
丰田Mirai、本田Clarity和现代NEXO三款燃料电池汽车的 车辆效率 水平非常接近。 美国阿汞国家实验室与加拿大交通部合作，对量产的丰田Mirai车型进行了实验室全面技术评估，测得了Mirai燃料电池堆及其系统性能、效率曲线 。相关效率曲线和数据旨在帮助完善和验证建模和仿真工作，为研究目标的设定提供信息。作为当前燃料电池汽车的典范，本次测试选择的FCV车型是2016款丰田Mirai。
测试材料和方法
加拿大交通部为此次测试研究提供了2016款丰田Mirai燃料电池汽车，下表为Mirai基本信息。美国阿汞国家实验室的车辆测试设施专为动力总成研究和技术基准测试而建造，底盘测功机位于恒温室内，可满足一系列实际条件测试。测试条件基于EPA 5 cycle工况的燃油经济性测试流程，包括-18℃、-7℃、25℃和35 ℃环境温度，850 W/m2光照条件。
阿汞实验室该套测试仪器的重点是测量主要动力总成组件之间的 功率流 ，如下图所示。采用Hioki™高精度功率分析仪(PW3390-10)测量功率流，测量精度为±0.1％；采用集成到测试单元中的两个 Micro Motion ™Coriolis 质量流量计(低流量工作范围CMF010M和高流量工作范围CMF025M)测量氢气质量流量，测量精度为±0.25％。最终记录了在超过100项测试中10 Hz频率下的400多条有效信号。
功率流
上表列出了丰田Mirai测试中EPA公布的Mirai等效测试重量和道路载荷系数参数。 基于SAE J1263™标准在 底盘测功机上测得 车辆能量 损失 。 为最大程度减少下一项测试重新安装车辆导致的测试差异，测试过程中一直将丰田Mirai放在底盘测功机上，氢燃料 经济性差异小于2％。测试期间，散热 风扇会动态连续运行以便产生匹配实际车速的空气流速。 基于119.96 MJ/kg低热值(LHV)计算氢气能量值。
效率计算
燃料电池堆和系统的效率表示为电能/氢能。下图展示了燃料电池堆和燃料电池系统的定义。
燃料电池堆和燃料电池系统界定
燃料电池堆及系统效率计算公式如下。其中，V为电压，I为电流。
车辆效率定义为正工况能量(Positive cycle energy)除以燃料能量，正工况能量在SAE J2951™标准中进行了定义，该标准 从传统车辆角度出发制定， 明确规定了计算正工况能量的数据处理和计算方法 。 注意，测试中在整个行驶工况内计算车辆效率。
结果和讨论
燃料电池系统
丰田Mirai动力总成是以燃料电池为主要动力的混合动力总成。像轻度混合动力汽车中汽油发动机相似，丰田Mirai燃料电池堆提供大部分动力，Mirai静止时通常电堆停止运行，并亦可在汽车行驶时停止运行或怠速(仅依靠镍氢电池工作)。当燃料电池系统怠速时，开路电压(OCV)缓慢降低。下图为NEDC工况下丰田Mirai动力总成的不同运行模式。车轮输出功率 (dyno power)指在行驶工况下驱使车辆前进所需功率，是燃料电池堆功率、高压镍氢电池功率和附件损失功率总和。 (注： 本文结果分析和讨论为美国Argonne实验室工程师观点 )
NEDC工况下燃料电池动力系统表现
燃料电池堆和系统效率
为获取燃料电池堆和系统效率Map图，对Mirai车辆在不同速度和负荷点进行了稳态测试。下图展示了 10 Hz频率测试下 电堆、系统和升压转换器的效率。测试发现燃料电池堆峰值效率为 66.0 ％，燃料电池系统峰值效率为 63.7 ％。在25％峰值功率输出时，燃料电池系统效率为58％。 在低电堆功率(<30 kW)下，空压机功耗在100 W至400 W区间 ，因此燃料电池系统效率较高。大部分行驶工况下功率需求都较低，燃料电池系统效率通常较高。在丰田Mirai燃料电池系统中，空气管理系统和阳极流道经过了特殊设计，以最大程度地减少空气压缩机的辅助功率损失。燃料电池堆的峰值输出功率约为110—114 kW，在高功率输出期间，空气压缩机的能耗高达15 kW，燃料电池系统效率降低。
电堆及系统效率随电堆输出的变化关系
燃料电池系统效率曲线形状
下图展示了丰田Mirai完成各个行驶工况的功率谱。注意，在UDDS和HWFET行驶工况的90%时间内，完成这两种工况所需功率分别小于12 kW和20 kW。燃料电池系统的低功率需求使UDDS和HWFET工况的燃料电池平均系统效率保持在 61 ％以上。相反，US06工况需要燃料电池系统提供更高的功率水平，此时空压机负荷大小至关重要。因此， US06工况下燃料电池系统平均效率低于50％，但燃料电池堆效率仍高于61％ 。由于典型工况下平均功率负载较低，因此低负荷下的高燃料电池系统效率会转化为实际工况时的低氢耗。与之相反，内燃机的有效热效率随着负荷增加而升高。
对应行驶工况的功率谱
燃料电池系统怠速工况氢气流速
如下图所示，当不需要燃料电池提供动力时，燃料电池系统将关闭；燃料电池怠速时，不产生功率输出。为了对燃料电池怠速工况一探究竟，对Mirai进行了一小时特殊测试。在行驶505 s后，Mirai在停车场停下并未熄火。燃料电池系统在1400 s内未产生功率输出。 采集数据显示，燃料电池堆缺少氢气导致开路电压维持在47 V左右(典型开路电压为315 V) 。控制系统定期(约间隔40 s)向电堆通入少量氢气，并将空气也通入电堆内部，以便在电堆中维持足量的反应气体。 在怠速1400 s内，消耗了1.71 g的氢气，则怠速状态下氢气流量就为4.39 g/h 。 怠速状态下低氢气流量可使燃料电池系统在流道中具备足够的反应气体，以便系统下一次唤醒时能立即提供动力 。闲置1400 s之后，高压镍氢电池组的SOC已降到足够低的程度，燃料电池系统发电并对电池组进行充电。
NEDC工况下燃料电池系统和动力系统运行模式
燃料电池堆峰值功率
在25%爬坡度、25℃温度下，燃料电池堆在30 s内功率保持在112 kW，电堆连续输出功率稳定在73 kW(风扇提供空气流速为43 km/h)。在25％爬坡度、35℃温度 (乘员舱温度设定25℃)时，燃料电池堆功率稳定在50 kW，风扇速度为24 km/h。在6％爬坡度、35℃温度 (乘员舱温度设定25℃)时，在测试的30分钟内Mirai保持时速100 km/h。当 冷却风扇提供的空气流速为100 km/h时， 燃料电池堆功率输出稳定在63 kW。 连续峰值功率取决于冷热条件(散热) 。
最后，在25°C环境温度下测试了车速从0到129 km/h内四个背靠背(连续)最大加速度。与大多数轻度混动车一样，高压动力电池组在最后一次加速时没有提供任何帮助(最初的几次加速中电池已耗尽)。燃料电池堆峰值功率从第一次加速时的100 kW增加到最后一次加速运行时的114.6 kW。 连续峰值功率在很大程度上取决于冷却条件，例如环境温度和相对风速 。注意，所有测试均使用与车速匹配的变速风扇进行。
车辆效率对比
下表从 车辆效率 角度比较了燃料电池、纯电动、混合动力和传统动力四种动力总成。 为与将制动能量转化为热量的传统车辆相比较，车辆效率的计算仅使用完成行驶工况所需的正功率 (positive power)来进行。 对于电动车， 由于汽 车在 制动期间通 过对高压 动 力电 池组 充电 来 回收动 能 和势能，因此车 辆效率计算较为复杂。而 仅使用正工况能量(正工况能量定义见效率计算部分)时，电动汽车动力总成中的双向功率流可导致计算的车辆效率超过 100％。
上表数据是在Argonne实验室的同一个测试平台中测量的数据。下表为完整的氢燃料消耗情况以及车辆详细信息。处于电量消耗模式下的丰田普锐斯Prime可在全电动(full electric mode)模式下完成所有三个行驶工况，可视为电动汽车；一旦电池电量耗尽，丰田普锐斯Prime便以 电量维持模式 运行，可视为混动汽车。马自达3作为与丰田Mirai同类型的中小型轿车，也在相同的实验室和条件下进行了测试。
标准行驶工况下各动力总成车辆能耗比较
各动力总成美国环境保护署5个行驶工况下燃料效率和能耗比较
与混合动力汽车(25℃下平均效率45.7％)和传统车辆(25℃下平均效率23.5％)相比，由于燃料电池的高能量转换效率，丰田Mirai具有显著的车辆效率优势(25℃下平均效率62.2％)。燃料电池汽车既 是串联式混合动力电动汽车，也是一种由小容量电池组和提供大部分动力来源的燃料电池系统组成的电动汽车， 燃料电池汽车车辆效率是电动汽车车辆效率与燃料电池系统效率组合后的结果。 与电动汽车相比，燃料电池汽车具有较低的车辆效率； 与电动汽车相比，燃料电池汽车车辆效率值受温度条件影响不大。
此外，对油井到车轮(WTW)能效和排放比较后发现，相比传统汽油车， 使用基于化石燃料生产氢气(天然气重整)作为燃料的氢燃料电池车，WTW化石燃料使用量减少4-31％，WTW温室气体排放量降低了14-44％。
不同温度下能量分析
下图为氢能消耗及其分解情况。针对UDDS和HWFET两个行驶工况，在25℃环境温度下氢能消耗量相近。在低负载行驶工况中，来自燃料电池空气压缩机和升压转换器的能量消耗基本可以忽略不计。在较高功率负荷的US06工况中，升压转换器和空气压缩机的损耗变得较大，降低了燃料电池系统效率。下图还显示了不同环境条件下的测试结果， 由于燃料电池系统和乘员舱在冷启动过程中需要加热且需要使用额外的氢气来调节质子交换膜湿润度， UDDS工况下在-7℃环境温度启动的能耗比25℃环境温度下启动高50％以上 。注意， 在-7℃环境温度中， 燃料电池系统产生的热量足以使在第三个UDDS工况中乘员舱温度保持在25℃。850 W/m2光照、环境温度35℃环境温度下能耗增加，主要是因制冷剂压缩机的功率需求导致。
不同行驶工况下氢能消耗及其分解情况
25℃、-7℃燃料电池系统启停
对于燃料电池系统，精确控制电堆内质子交换膜湿润度对于可靠且有效的功率输出尤其重要。系统停机时，燃料电池系统必须将电堆内部残余水排空，以避免结冰以及电池损伤。下图详细介绍了低温启动期间以及在测试结束系统停机关闭时的情况。在25°C环境温度启动时，燃料电池系统在车轮转动前不产生任何功率输出，车轮转动时电堆电压跃升至稳定的工作电压。 当驾驶员在测试结束时关闭车辆，氢气和空气分别供气吹扫持续20 s 。 -7℃环境下停机时，停机吹扫时间会延长，氢气和空气吹扫电堆90 s，以使质子交换膜干燥 。-7℃环境温度启动时，燃料电池系统提供过量氢气并立即产生低水平功率输出，以通过电化学反应生成水为质子交换膜创造最佳的湿润度。应当注意，当环境温度从25℃转变为-7℃且车辆关闭时，燃料电池系统将被唤醒以吹扫电堆并触发排水阀 (drain valve)。
25℃环境温度燃料电池系统启停行为
-7℃环境温度燃料电池系统启停行为
-18℃冷启动
该项测试中，丰田Mirai整车完全浸入在-18℃环境温度达一周时间。测试开始时，电加热器加热燃料电池系统，并使用多余氢气来湿润干燥的质子交换膜。UDDS工况下冷启动时，车辆开机20 s后便可行驶，运行150 s后即可达到标准OCV状态。在行驶工况的前150 s内 燃料电池堆功率输出 受到限制，但镍氢电池组为车辆提供了额外动力以满足加速需求 。
-18℃至35℃环境温度和不同行驶工况下的氢耗(850 W/m2光照)
结论
丰田Mirai燃料电池汽车技术评估结果表明，燃料电池堆具有高动态响应特性，燃料电池堆和系统的峰值效率分别为66.0％和63.7％，测得的峰值电堆功率约为110—114.6 kW。UDDS行驶工况下(温和城市工况)燃料电池系统平均效率为61.8％，而US06行驶工况下(激烈高速工况)为48.1％。高负荷下燃料电池系统效率受空气压缩机负载限制，空压机负载可高达15 kW。 UDDS工况-7℃环境温度冷启动时， 由于燃料电池系统和乘员舱需电加热，同时消耗额外氢气改善质子膜湿润情况，能耗比25℃环境温度启动时高57％左右。-18℃环境温度启动时，在最初的150 s内燃料电池堆输出功率受限，但镍氢电池组会提供额外功率以满足加速需求。燃料电池系统的怠速燃料(氢气)流量为4.39 g/h，电堆不输出功率，较低的怠速燃料流量使燃料电池系统在流道中具有足够的反应物，以便在下一次启动时立即提供动力。
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